WAS IST CMT?

SCHWEISSTECHNIK FRONIUS STELLTE AUF DER EUROBLECH EINEN NEUEN LICHTBOGENSCHWEISSPROZESS VOR, DER »EISKALT« UNVEREINBARES VEREINT.

27. November 2004

Innovation allein stellt in Technik und Wirtschaft noch keinen Mehrwert dar. Erst das Hinzukommen von positiven Eigenschaften wie Kreativität, Nutzen, Machbarkeit, Praxistauglichkeit, Wirtschaftlichkeit, Verbesserungspotential schafft Interesse, Anwendungen und Abnehmer. Oft müssen erst bestimmte Voraussetzungen gegeben sein, um Innovationen realisieren zu können. Beide Aspekte, positive Eigenschaften und Voraussetzungen treffen auf »CMT« (Cold Metal Transfer) zu. Der CMT-Prozeß bietet Eigenschaften, die deutlich über die konventioneller Kurzlichtbogen-Schweißprozesse hinausgehen, und er stößt in neue Anwendungen vor: Spritzerfreiheit, Schweißen und Löten von Dünnstblechen, Fügen von Dünn-Dickblech-Verbindungen sowie von Aluminium mit Stahl.

39 MANNJAHRE

Als Voraussetzung bedarf es digitaler Schweißsysteme. Mit diesen führt CMT gleichzeitig die digitale Revolution der Schweißtechnologie fort. Was jetzt als serienreifer Prozeß mit entsprechend ausgereifter Anlagentechnik vorliegt, hat eine beachtenswerte industrielle Historie: »Die Entwicklungsidee geht bei Fronius auf das Jahr 1991 zurück. »Seit 2002 investierten wir in Aktivitäten, den CMT-Prozeß zur Serienreife zu entwickeln. Ein Kernteam von 21 Entwicklern und 15 Mitarbeitern aus anderen Bereichen arbeitete insgesamt 39 Mannjahre daran«, berichtet Heinz Hackl, Mitglied der Geschäftsleitung des österreichischen Schweißsystemherstellers Fronius und Verantwortlicher für Forschung und Entwicklung.

NUTZEN DER INNOVATION CMT

Cold Metal Transfer bedeutet konkret, daß bei dem dazugehörigen Kurzlichtbogen-Schweißprozeß weniger Wärmeenergie in den zu fügenden Werkstücken entsteht. Die spektakuläre Innovation betrifft die Tropfenablöse des Zusatzwerkstoffes. Beim konventionellen Prozeß bewirkt ein relativ hoher Strom - und damit ein großer Wärmeeintrag in das Werkstück - diesen Vorgang.

Anders beim CMT. Hier ist die Wärmeentwicklung gering und der Prozeß entsprechend kälter! Ergebnisse oder auch positive Eigenschaften sind das normalerweise spritzerfreie Schweißen und Löten. Die Relativierung »normalerweise« bezieht sich darauf, daß bei extremer Brenneranstellung aufgrund von Schmelzbadbewegungen einzelne Spritzer möglich sind. Spritzerfrei bedeutet jedoch das Entfallen von Nacharbeit. Arbeits-, Zeitund Kosteneinsparungen sowie eine Optik, die Qualität und Präzision vermittelt, sind augenfällig. Eine weitere positive Eigenschaft des geringeren Wärmeeintrages ist die größere Spaltüberbrückbarkeit. Sie gilt sowohl beim Schweißen wie auch beim Löten.

Konventionell würde bei Überlappnähten mit größeren Spalten die Kante des oberen Bleches wegschmelzen und damit könnte keine Anbindung erfolgen. Zeitersparnisse resultieren auch aus dem Zündvorgang. Die Zeitspanne zwischen dem ersten Kontakt des Drahtes mit dem Werkstoff und dem Aufbau eines stabilen Lichtbogens beträgt beim CMT-Prozeß nur rund die Hälfte im Vergleich zum konventionellen Zündvorgang. Dies führt zu einem schnelleren Aufschmelzen des Werkstoffes und zu kürzeren Taktzeiten. Je kürzer die Nähte beim automatisierten Schweißen sind, desto stärker wirkt sich der Effekt aus.

KREATIVE KOMBINATIONEN

Kreative Ergebnisse entstehen bei der Kombination des CMT-Prozesses mit dem Impuls-Lichtbogenprozeß. Zügige Wechsel beider Verfahren beeinflussen die Wärmeeinbringung und in Folge die Nahtgeometrie; außerdem die Spaltüberbrückung und die Schweißgeschwindigkeit.

Kälter, dosierbar, spritzerfrei sind Attribute, die CMT vom konventionellen Lichtbogenschweißen unterscheiden. Bisher bewirkte der Stromfl uß allein die Tropfenablöse. Deshalb ist ein relativ hoher Strom für diesen Vorgang erforderlich. Anders beim CMT-Prozeß. »Der CMT-Prozeß bringt vergleichsweise wenig Wärme in die Fügestelle ein. Deshalb ist die Wärmeeinflußzone wesentlich schmaler und die Eigenschaften des Grundwerkstoffes werden erheblich weniger beeinträchtigt«, diagnostiziert Prof. Dr. techn. Anke Rita Pyzalla vom Institut für Werkstoffwissenschaft und Technologie der Technischen Universität Wien.

»REVOLUTIONÄRER PROZESS«

Dafür und für weitere positive Verfahrenseigenschaften sind drei Hauptunterschiede zum konventionellen Lichtbogenverfahren verantwortlich: »Das Revolutionäre an diesem Prozeß ist, daß der Draht einerseits eine reversierende Bewegung - vor und zurück - ausführt. Andererseits, daß diese Bewegung direkt in die Prozeßregelung eingebunden ist«, erläutert Ing. Mag. Heinz Hackl. Dabei ist der Schweißprozeß die Regelgröße für die Drahtbewegung von bis zu 70 Hertz. Beim konventionellen Schweißprozeß bewegt sich dagegen der Draht mit einem konstant vorgegebenen Wert des Drahtantriebes. Den zweiten markanten Unterschied bildet der praktisch stromlose Werkstoffübergang. Statt wie konventionell in der Kurzschlußphase stark anzusteigen, regelt der CMT-Prozeß ihn auf ein sehr geringes Niveau.

Die Synergie aus beiden Unterschieden ergibt die entscheidende dritte Differenzierung. Trotz des geringen Stromes während der Kurzschlußphase löst sich der Tropfen, weil die Rückbewegung des Drahtes diesen Vorgang unterstützt.

VOLLDIGITALISIERTES SCHWEISSSYSTEM

Es basiert auf volldigital geregelten Schweißsystemen von Fronius für automatisierte Anwendungen. Neben spezifischer Software und Regelung sind zwei neue Hardwarekomponenten erforderlich: der Drahtpuffer und die Antriebseinheit. Der Drahtpuffer entkoppelt den vorderen und den hinteren Drahtantrieb voneinander und stellt zusätzlich Speicherkapazität für den Draht bereit. Seinen Platz findet der Drahtpuffer am Balancer oder der dritten Achse des Roboters. Die Antriebseinheit stellt eine der größten Innovationen innerhalb der CMT-Lösung dar. Sie realisiert die Vor- und Rückbewegung des Schweiß- beziehungsweise Lötdrahtes; und dies bis zu 70 Hertz! (Zum Vergleich: Die Frequenz in unserem Stromnetz beträgt 50 Hertz.) Größe und Gewicht der gesamten Einheit sind durch konstruktive Optimierungen vergleichsweise deutlich minimiert, und die Wärmeableitung ist zusätzlich verbessert.

CMT - UNIVERSELL EINSETZBAR

Die Antriebseinheit ist so gestaltet, daß sie nur eine kleine Störkontur aufweist und sie die Roboterkinematik schwerpunkt- sowie gewichtsoptimiert unterstützt. Sie läßt sich einfach unter der sechsten Roboterachse montieren. Zum Bestücken der Antriebseinheit stehen die serienmäßigen Robacta-Rohrbögen zur Verfügung. Da der Haltewinkel in die Antriebseinheit integriert ist, reduziert sich die Teilevielfalt. Von der Nahtart her ist der Prozeß universell: Überlapp-, Stumpf-, Bördel- und Kehlnaht sind ebenso ausführbar wie das Schweißen in den Positionen PA, PB, PC und PG. Für das Löten gelten die gleichen Nahtarten. Generell eröffnet die Kombination aus integrierter Drahtbewegung, reduzierter Wärmeeinbringung und Spritzerfreiheit dem Schweißen und Löten bisher verschlossene Anwendungen, höhere Produktivität und geringere Ausschuß- sowie Nacharbeitskosten. Die hohe Spaltüberbrückbarkeit ergänzt diese Vorteile und führt zu besser beherrschbaren automatisierten Prozessen. Eine einwandfreie Optik der Fügenaht unterstreicht diese Vorteile. Einige Anwendungsfelder sind besonders erwähnenswert:

- Dünnbleche ab 0,3 mm »Dicke« lassen sich sogar »stumpf« schweißen oder löten. Dies gilt zum Beispiel beim Schweißen von Aluminiumblechen ohne die sonst erforderlichen Hilfsmittel zum Spannen, Halten und Vermeiden des Durchfallens oder -brennens.

- Extreme Dick-Dünnblech- Kombinationen, zum Beispiel von verzinkten Stahlblechen mit einem Dickenverhältnis von 1:6, lassen sich mit guter Anbindung löten.

- Aluminium-Stahl-Verbindungen sind bisher lediglich - und dies mit deutlichen Einschränkungen

- per Laser schweißbar. Die CMT-Technologie realisiert hier eines ihrer Entwicklungsziele: Sowohl die metallurgische Verbindung als auch die Nahtoptik überzeugen ohne Einschränkung.

Die beschriebenen Eigenschaften und Potentiale schaffen die Voraussetzungen für die erfolgreiche Anwendung der CMT-Technologie etwa in Branchen und Anwendungen wie der Automobil- und Zulieferindustrie, der Luft- und Raumfahrtindustrie, der Mikro- Verbindungstechnik, der Gebrauchsgüterindustrie, weiße Ware sowie dem Metall-, Portal- und Gerüstbau.

Prinzipiell bietet die CMT-Technologie eine Alternative zu allen automatisierten oder roboterunterstützten MSG-Lichtbogenverfahren beim Fügen dünner Bleche.

Das gilt auch hinsichtlich der Grund- und Zusatzwerkstoffe. »Über die bisher bekannten Anwendungen hinaus sehen wir Perspektiven, die aus der Kreativität von Produktentwicklern, Konstrukteuren und Fertigungsexperten resultieren, kombiniert mit den Möglichkeiten des innovativen CMT-Prozesses«, resümiert Heinz Hackl.

Erschienen in Ausgabe: 11/2004